以AT89C52單片機為核心的單片機與PC機通信原理是什么？

隨著系統的廣泛應用和計算機網絡技術的普及，單片機的通信功能愈來愈顯得重要。單片機通信是指單片機與計算機或單片機與單片機之間的信息交換，通常單片機與計算機之間的通信用的較多。本文以溫度檢測數據為基礎，研究了單片機與PC機的及電路的設計。

引言

本文研究的是一種基于串口的溫度檢測數據收發模塊。利用DS18B20 溫度傳感器設計溫度監測模塊，精確到0.1℃，用液晶顯示當前溫度，然后通過串口調試助手向單片機發送指令。當單片機收到十六進制指令01時，將當前溫度值以1s 為間隔傳回PC機顯示，同時PC 機顯示Turn on temp;當單片機收到十六進制指令02 時，停止溫度值的回傳，PC 機顯示Turn off temp;當單片機收到其它指令時，PC 機顯Error。

1 總體設計

本系統功能由硬件和軟件兩大部份協調完成，硬件部分主要完成信息的顯示；軟件主要完成信號的處理及控制功能等。

本系統的硬件采用模塊化設計，以AT89C52單片機為核心，與LCD 顯示電路、串行口通信電路及DS18B20 溫度檢測電路組成控制系統。該系統硬件主要包括以下幾個模塊：

AT89C52 主控模塊、LCD 顯示模塊、串行口通信模塊、DS18B20 溫度檢測模塊等。其中AT89C52 主要完成外圍硬件的控制以及一些運算功能，LCD 顯示模塊完成字符、數字的顯示功能、串行口通信模塊主要完成單片機和PC 機之間的通信功能，DS18B20 溫度檢測模塊主要完成環境溫度檢測功能。系統組成方框圖如圖1.1 所示。

圖1.1系統硬件組成方框圖

應用軟件采用模塊化設計方法。該系統軟件主要由主程序、串口接收發送數據中斷子程序、LCD 顯示子程序等模塊組成，系統軟件結構框圖如圖1.2 所示。

圖1.2系統軟件設計框圖

2 系統工作原理

MCS-51 單片機串行口發送/接收數據時，通過2 個串行緩沖器SBUF 進行，這2 個緩沖器采用一個地址（98H），但在物理上是獨立的。其中接收緩沖器只能讀出不能寫入，50 發送緩沖器只能寫入不能讀出。

1. 發送過程

當數據被寫入SBUF 寄存器后，單片機自動開始從起始位發送數據，發送到停止位的開始時，由內部硬件將TI 置1，向CPU 申請中斷，接下來可在中斷服務程序中做相應處理，也可選擇不進入中斷。

2. 接收過程

串行口的接收與否受制于允許接收位REN 的狀態，當REN 被軟件置“1”后，允許接收器接收。串口的接收器以所選波特率的16 倍速對RXD 線進行監視。當“1”到“0”跳變時，檢測器連續采樣到RXD 線上低電平時。便認定RXD 端出現起始位，繼而接收控制器開始工作。在每位傳送時間的第7、8、9 三個脈沖狀態采樣RXD 線，決定所接收的值為“0”或“1”。當接收完停止位后，控制電路使中斷標志R1置為“1”。

3. 溫度檢測

溫度檢測采用DALLAS 最新單線數字溫度傳感器DS18B20，DS18B20 是一種新型的“一線器件”，其體積更小，更適用于多種場合，且適用電壓更寬、更經濟。DALLAS 半導體公司的數字化溫度傳感器DS18B20 是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器。

溫度測量范圍為-55℃~+125℃，可編程為9 位~12位轉換精度，可分辨溫度分別為0.5℃，0.25℃，0.125℃和0.0625℃。在9 位分辨率時，最多在93.75ms 內把溫度轉換為數字；在12 位分辨率時，最多在750ms 內把溫度值轉換為數字。

3 溫度傳感器

3.1 溫度傳感器特性

DALLAS 最新單線數字溫度傳感器DS18B20［2］是一種新型的“一線器件”，其體積更小，更適用于多種場合，且適用電壓更寬、更經濟。DALLAS 半導體公司的數字化溫度傳感器DS18B20 是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器。溫度測量范圍為-55℃~+125℃，可編程為9 位~12 位轉換精度，可分辨溫度分別為0.5℃，0.25℃，0.125℃和0.0625℃。在9 位分辨率時，最多在93.75ms 內把溫度轉換為數字；在12 位分辨率時，最多在750ms內把溫度值轉換為數字。DS18B20的性能特點如下：

1. 獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進行通信；

2. 多個 DS18B20 可以并聯在惟一的三線上，實現多點組網功能

3. 無須外部器件；

4. 可通過數據線供電，電壓范圍為3.0~5.5V;

5. 零待機功耗；

6. 溫度以 9 或12 位數字；

7. 用戶可定義報警設置；

8. 報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件；

9. 負電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發熱而燒毀，但不能正常工作；

DS18B02 可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時DS18B20的1 腳接地，2 腳作為信號線，3 腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，單片機端口接單線總線，為保證在有效的DS18B20 時鐘周期內提供足夠的電流，可用一個MOSFET 管來完成對總線的上拉。

當 DS18B20 處于寫存儲器操作和溫度A/D 轉換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為10us.采用寄生電源供電方式時VDD 端接地。由于單線制只有一根線，因此發送接口必須是三態的。

圖 3.1 DS18B20 引腳圖

3.2 工作時序圖

1. 初始化

圖 3.2 初始化時序圖

1）先將數據線置高電平1;2）延時（該時間要求不是很嚴格，但是要盡可能短一些）；3）數據線拉到低電平0;4）延時 750us（該時間范圍可以在480~960us）；5）數據線拉到高電平1;6）延時等待。如果初始化成功則在15~60ms內產生一個由DS18B20 返回的低電平0，據該狀態可以確定它的存在。但是要注意，不能無限地等待，不然會使程序進入死循環，所以要進行超時判斷；7）若 CPU 讀到數據線上的低電平0 后，還要進行延時，其延時時間從發出高電平算起最少要480us;8）將數據線再次拉到高電平后結束。

2. DS18B20 寫數據

圖3.3 寫數據時序圖

1）數據線先置低電平0;

2）延時確定的時間為15us;

3）按從低位到高位的順序發送數據（一次只發送一位）；

4）延時時間為 45us;

5）將數據線拉到高電平1;

6）重復 1）到5）步驟，直到發送完整個字節；

7）最后將數據線拉高到1.

3.3 DS18B20 讀數據

圖3.4 讀數據時序圖

1）將數據線拉高為1;

2）延時 2us ;

3）將數據線拉低0 ;

4）延時 6us ;

5）將數據線拉高1 ;

6）延時 4us ;

7）讀數據線的狀態得到1 個狀態位，并且進行數據處理；

8）延時 30us ;

9）重復 1）到7）步，知道讀取完一個字節。

4 硬件設計

4.1 時鐘電路及復位電路

1.時鐘電路

時鐘電路可以產生CPU 校準時序，是單片機的控制核心，本次設計是通過外接12MHz的晶振來實現時鐘電路的時序控制。在使用片內振蕩器時，XTAL1 和XTAL2 分別為反向放大器的輸入端和輸出端。外接晶體以及電容C3 和C5 構成并聯諧振電路，接在放大器的反饋回路中。當用外部時鐘驅動時，XTAL2引腳應懸空，而由XTAL1引腳上的信號驅動，外部振蕩器通過一個2 分頻的觸發器而成為內部時鐘信號，故對外部信號的占空比沒有什么要求，但最小和最大的高電平持續時間和低電平持續時間應符合技術要求。電路如圖4.1 所示。

圖 4.1 晶振電路

2.空閑方式

在空閑方式下，CPU 的內部時鐘信號被門控電路所封鎖，CPU 即進入睡眠狀態，但內部時鐘信號仍繼續供給中斷系統，定時器和串行口。這種方式由軟件調用。在空閑方式期間，片內RAM和所有專用寄存器的狀態仍被保留，空閑方式可通過任何允許的中斷或硬件復位來終止。當空閑方式由硬件復位終止時，通常系統在空閑處恢復程序的執行。硬件復位只需要信號持續有效兩個機器周期。當用復位終止空閑方式時，為防止避免意外寫入端口引腳的可能性，調用空閑方式指令的下一條指令不應是寫端口引腳或外部存儲器。

3.掉電工作方式

在掉電方式下，片內振蕩器停止工作。調用掉電指令是執行的最后一條指令。片內RAM 和專用寄存器的值被保留，直到掉電方式終止。退出掉電方式只能靠硬件復位。復位后將重新定義所有專用寄存器，但不改變RAM 的內容。在VCC 未恢復到正常工作電壓之前，不能啟動復位，復位信號應保持足夠長的時間，以保證振蕩器的起振和達到穩定。

為了使單片機正常工作，還需要加入上電復位電路和掉電檢測電路。上電復位簡要原理：

在系統不需要復位時，RST端是低電平；按下按鍵，RST端變為高電平。

圖 4.2 上電復位電路

AT89C51、晶振電路與上電復位電路共同組成單片機最小系統，如圖4.3 所示。

圖 4.3 最小系統

4.2 溫度傳感器

圖4.4 DS18B20連線圖

從圖 4.4 可以看出，DS18B20 與單片機的連接非常簡單，單片機只需要一個I/O 口就可以控制DS18B20.這個圖的接法是單片機與一個DS18B20 通信，如果要控制多個DS18B20進行溫度采集，只要將所有的DS18B20 的I/O 口全部連接到一起就可以了。

4.3 LCD顯示模塊

顯示電路采用LCD1602 液晶顯示屏，P2 作為液晶8 位數據輸入端口。P1.0 口作為液晶數據/命令選擇端口，P1.1 為液晶使能端口。

圖 4.5 LCD 顯示模塊

4.4 串行口通信模塊設計

51 單片機有一個全雙工的串行通信口，使單片機和計算機之間可以方便地進行通信。

電平范圍是電路能夠安全可靠識別信號的電壓范圍。

CMOS 電路的電平范圍一般是從0 到電源電壓。CMOS 電平中，高電平（3.5~5V）為邏輯“1”，低電平（0~0.8V）為邏輯“0”。

RS232 接口的電平范圍是-15V 到+15V，RS232 電平采用負邏輯，即邏輯“1”：-3~-15V，邏輯“0”：+3~+15V.

單片機的串口是TTL 電平的，而計算機的串口是RS232 電平，要使兩者之間進行通信，兩者之間必須有一個電平轉換電路，即單片機的串口要外接電平轉換電路芯片把與TTL兼容的CMOS 高電平表示的1 轉換成RS232 的負電壓信號，把低電平轉換成RS-232 的正電壓信號。典型的轉換電路給出-9V 和+9V.

本設計中實現邏輯電平轉換可以采用MAX232 芯片的轉換接口：MAX232 是MAXIM公司生產的，包含兩路驅動器和接收器的RS-232 轉換芯片。MAX232 芯片內部有一個電壓轉換器，可以把輸人的+5V 電壓轉換為RS-232 接口所需的±10V 電壓，尤其適用于沒有±12V 的單電源系統。與此原理相同的芯片還有MAX202、AD 公司的ADDt101 以及SIL 公司的IC1232 芯片。

圖 4.6 MAX232 芯片引腳

由于 protues仿真時不需進行電平轉換，所以仿真時沒有用上MAX232 芯片電路，但做實物時需進行電平轉換，其硬件連線圖如圖4.7 所示。MAX232 芯片的T1in 引腳連接AT89C51 單片機的P3.1（TXD）引腳，MAX232 芯片的R1out 引腳連接AT89C51 單片機的P3.0（RXD）引腳；MAX232 芯片的T1out 引腳連接DB9 針接口的第2 引腳，MAX232 芯片的R1in 引腳連接DB9 針接口的第3 引腳。

圖4.7 電平轉換硬件連接圖

4.5 系統原理圖

由以上模塊化設計可得整個系統原理圖如圖4.8 所示：

圖4.8 系統原理圖

5 軟件設計

5.1 算法設計

編寫單片機異步通信程序步驟如下：

1. 設置串口工作方式

此時需對串行控制器SCON 中的SM0、SM1 進行設置。PC 機與單片機的通信中一般選擇串口工作在方式1 下。

2. 選擇波特率發生器

選擇定時器1或定時器2 做為其波特率發生器。

3. 設置定時器工作方式

當選擇定時器1 做為波特率發生器時，需設置其方式寄存器TMOD 為計數方式并選擇相應的工作方式（一般選擇方式2 以避免重裝定時器初值）；當選擇定時器2 做為波特率發生器時，需將T2CON 設置為波特率發生器工作方式。

4. 設置波特率參數

影響波特率的參數有二，一是特殊寄存器PCON 的SMOD 位，另一個是相應定時器初值。

5. 允許串行中斷

因在程序中我們一般采有中斷接收方式，故應設EA=1、ES=1.

6. 允許接收數據

設置 SCON 中的REN 為1.表示允許串行口接收數據。

7. 允許定時/計數器工作

此時開啟定時/計數器，使其產生波特率8. 編寫串行中斷服務程序。

當有數據到達串口時，系統將自動執行所編寫的中斷服務程序。

8. 收/發相應數據

注意的是發送操作完成需將T1清零，接收工作完成后需將R1清零。

5.2 程序設計

5.2.1 主程序設計

主程序主要完成硬件初始化、子程序調用等功能。

1. 初始化。

首先調用 LCD 初始化程序，在LCD 上顯示數據“RECEIVE：”和“TEMP is： *C”。

然后調用中斷及串口初始化子程序程序，把串口接收數據單元RECDATA 清零。設置寄存器SCON 的SM0、SM1 位定義串口工作方式，選擇波特率發生器為定時器T1;設定定時器T1 工作方式為方式2;設置波特率參數為9600bps;允許串行中斷及總中斷；允許串口接收數據，定義REN=1;啟動定時/計數器T1 工作，定義TR1=1.

2. 串口收發數據。

判斷串口成功接收數據標志位flag_UART 是否為0，若flag_uart 為0，表明串口未接收到數據，則繼續等待串口接收數據；若flag_uart 為1，表明串口成功接收或發送數據，進入串口中斷服務子程序，單片機接收數據，并將串口成功接收數據標志位flag_uart 清零，調用LCD 顯示接收數據子程序，在LCD 上顯示單片機從

圖 5.1 主程序流程圖

5.2.2 串口中斷服務子程序

判斷串口發送標志位TI 是否為1，若TI 為1，則把數據從單片機發給PC 機，并把TI清零，中斷子程序返回；若TI為0，表明RI=0，則把串口接收標志位RI清零，把串口接收緩沖器SBUF 中的數據寫入串口接收數據單元RECDATA，再把該數據送到串口發送緩沖器SBUF 中，傳給PC 機，置串口成功接收數據標志位RECOKBIT 為1，表明串口成功接收發送數據，最后中斷子程序返回。串口收發數據中斷服務子程序設計流程圖如圖5.2 所示。

圖5.2 串口中斷服務子程序

5.2.3 讀溫子程序

讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAM 中的9 字節，在讀出時需進行CRC 校驗，校驗有錯時不進行溫度數據的改寫。其程序流程圖如圖5.3 示。

圖5.3 讀溫子程序

5.2.4 溫度轉換命令子程序

溫度轉換命令子程序主要是發溫度轉換開始命令，當采用12 位分辨率時轉換時間約為750ms，在本程序設計中采用1s顯示程序延時法等待轉換的完成。溫度轉換命令子程序流程圖如上圖，圖5.4 所示。

圖5.4 溫度轉換流程圖

5.2.5 計算溫度子程序

計算溫濕度子程序將RAM 中讀取值進行BCD 碼的轉換運算，并進行溫度值正負的判定，其程序流程圖如圖5.5 所示。

圖5.5 計算溫度流程圖

5.2.6 顯示數據刷新子程序

顯示數據刷新子程序主要是對分離后的溫度顯示數據進行刷新操作，當標志位位為1時將符號顯示位移入第一位。程序流程圖如圖5.6 所示。

6 結論

本系統的硬件采用模塊化設計，以AT89C52 單片機為核心，與LCD 顯示電路、串行口通信電路及DS18B20 溫度檢測電路組成控制系統。該系統硬件主要包括以下幾個模塊：

AT89C52 主控模塊、LCD 顯示模塊、串行口通信模塊、DS18B20 溫度檢測模塊等。其中AT89C52 主要完成外圍硬件的控制以及一些運算功能，LCD 顯示模塊完成字符、數字的顯示功能、串行口通信模塊主要完成單片機和PC 機之間的通信功能，DS18B20 溫度檢測模塊主要完成環境溫度檢測功能。

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